Etude des pertes thermiques d'un chauffe-eau solaire

Résumé du document

Le système étudié dans ce TIPE est un chauffe-eau solaire, et non un panneau solaire, la différence provenant du fait que le chauffe-eau produit de l'énergie thermique, et non de l'électricité.

L'idée de ce TIPE m'est venue lorsque je me suis aperçu que le chauffe-eau solaire présent chez moi possède une faible isolation sur les parties de transport du fluide caloporteur, et que la température dans le local technique est trop importante pour une pièce sans chauffage.
Ce sujet de TIPE est en lien direct avec le thème « variabilité – limite – stabilité », du fait de la variabilité importante de température au sein du système, et de la recherche constante d'une valeur limite, la plus haute possible, d'énergie produite, tout en cherchant la plus grande stabilité autant dans les échanges thermiques que dans le fait de fournir l'énergie de façon continue.
J'ai donc tout d'abord voulu étudier le rendement du transport calorifique, en calculant des différences de température en entrée et sortie des tuyaux, mais je me suis aperçu qu'il me serait impossible de prendre les valeurs réelles de température dans les tuyaux. Je pensais à ce moment-là que les pertes du ballon seraient négligeables, et je ne considérais pas l'échange thermique dans le ballon entre le tuyau du fluide caloporteur et l'eau présente.
J'ai à ce moment-là pu rencontrer un professeur de génie thermique en IUT, qui s'intéresse en plus aux chauffe-eau solaires, avec qui j'ai tout d'abord pensé à changer mon sujet, en imaginant et créant un système de panneau solaire pivotant pour suivre le soleil, et ainsi recevoir le maximum de rayonnement thermique, mais il s'est avéré que ce système aurait été trop long, couteux, et fastidieux à construire.

Je suis donc retourné à l'étude du système réel, mais en étudiant non pas cette fois le rendement du transport thermique, mais les pertes qui se situent toujours lors du transport du fluide caloporteur, mais également les pertes du ballon d'eau chaude vers le local technique, en ne considérant toujours pas le transfert thermique entre le fluide caloporteur et l'eau au sein du ballon.
Mes hypothèses de départ étaient que les pertes thermiques seraient plus importantes sur les tuyaux que sur le ballon, ce qui m'a semblé encore plus plausible lorsque j'ai vu que les tuyaux n'étaient pas déjà isolés de façon importante, car il n'y avait qu'une faible épaisseur de polystyrène, qui en plus ne recouvrait pas toutes les surfaces des tuyaux.
Le but de ce TIPE est donc tout d'abord de comparer les pertes thermiques du ballon d'eau chaude et des tuyaux, de vérifier l'hypothèse faite sur l'isolation déjà présente du ballon, puis de voir s'il est possible pour un particulier de diminuer facilement ces pertes.

Extraits

[...] Les températures vont être mesurées au milieu du tuyau et du ballon, afin de prendre des valeurs moyennes. Pour les mesures, une couche d'isolant (qui n'est pas à considérer dans les calculs) est mise sur la sonde de température, pour empêcher de mesurer une valeur moyenne entre celle désirée et la température de l'air. Durant l'expérience, nous voyons que les températures mesurées augmentent pour tendre vers une constante, et c'est cette constante qui nous intéresse, c'est pourquoi la sonde reste en place durant 15 minutes, afin de prendre comme valeur de température quelque chose qui tend vraiment vers cette constante. [...]

[...] Je pensais à ce moment là que les pertes du ballon seraient négligeables, et je ne considérais pas l'échange thermique dans le ballon entre le tuyau du fluide caloporteur et l'eau présente. J'ai à ce moment là pu rencontrer un professeur de génie thermique en IUT, qui s'intéresse en plus aux chauffe-eau solaires, avec qui j'ai tout d'abord pensé à changer mon sujet, en imaginant et créant un système de panneau solaire pivotant pour suivre le soleil, et ainsi recevoir le maximum de rayonnement thermique, mais il s'est avéré que ce système aurait été trop long, couteux, et fastidieux à construire. [...]

[...] De plus, nous voyons bien, ne serait-ce que par ordre de grandeur, que les pertes, sans isolant externe, des tuyaux sont bien plus grandes que celles du ballon. Nous venons ainsi de répondre aux 2 premières questions qui étaient posées au début de ce TIPE. Enfin, nous pouvons voir, en considérant que le ballon ne nécessite pas d'isolant supplémentaire, que la présence d'un simple isolant en laine de verre de 5 cm posé autour des tuyaux en cuivre, opération simple pour tout le monde, permet de diminuer grandement les pertes thermiques des tuyaux. [...]

[...] Nous allons utiliser la loi de Newton pour les pertes thermiques, appliquée à chaque interface : φ 1 = h1.S. φ 2 = h2.S D'où, nous pouvons en déduire la résistance de chaque interface : R1= Résistance interface fluide/matériau R2= Résistance interface matériau/air ⇨Soit R la résistance du tuyau : R = Σ Ri Ainsi, on obtient le flux total perdu par : φ= Remarque : le va être determiné par la difference entre la temperature ambiante de l'air et celle mesurée par la sonde, en considérant, à cause de la conductivité thermique du matériau, qu'elle est la même que celle du fluide caloporteur, ou de l'eau chauffée du ballon. [...]

[...] Ainsi, pour répondre à la troisième question, il peut être aisé pour un particulier de diminuer de façon importante les pertes thermiques au sein du système. Il est à noter que ces calculs ont été faits avec la température de 70°C prise pour la température du fluide caloporteur, alors que celle ci peut augmenter jusqu'à ce qui augmente les pertes dans les tuyaux, tandis que la température de l'eau dans le ballon reste pratiquement constante. De plus, il peut être intéressant de noter que l'on se limite ici au système de création de l'eau chaude, et l'on ne considère ni l'isolation de la pièce, ni l'isolation les tuyaux de transport de l'eau chaude qui partent du ballon pour aller dans le bâtiment. [...]